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恒压变频PLC自动控制供水系统
摘要
智能大厦是写字楼等公共建筑发展的一个趋势，是科技高度发展的结晶。
它由三个子系统组成：
楼宇自动化系统、通讯自动化系统和办公自动化系统。
智能建筑是建筑技术与计算机信息技术相结合的产物，是信息社会与经济国际化的需要。
本章主要是对楼宇自动化控制系统作有关的论述。
智能建筑往往是从楼宇自动化控制系统开始。
智能建筑内部有大量的电气设备，如：
环境舒适所需要的空调设备、照明设备及会排水系统设备等，这些设备多而散：
多，即数量多被控制、监视、测量的对象多，多达上百到上万点；散，即这些设备分散在各层和角落。
如果采用分散管理，就地控制，监视和测量难以想象。
为了合理利用设备，节省能源，节省人力，确保设备的安全运行，自然地提出了如何加强设备的管理问题。
自动控制技术经过简单的机械控制器控制、常规仪表控制，进入一个崭新的阶段——计算机控制。
关键词：
楼宇自动化恒压供水计算机控制
目录
第1章恒压供水系统概述1
1.1变频恒压供水系统1
1.2传统定压方式的弊病1
1.3变频恒压供水系统的优点1
1.4变频恒压供水系统主要特点2
1.5恒压供水的控制目的3
1.6恒压供水设备的主要应用场合3
1.7恒压供水技术实现3
第2章楼宇自动化恒压供水系统方案4
2.1变频恒压供水系统及控制参数选择4
2.1.1.变频恒压供水系统组成4
2.1.2.变频恒压供水系统的参数选取4
2.2设备的选取6
2.3运行特征7
2.4系统方案7
2.4.1"一拖N"多泵系统的一般控制要求7
2.4.2常用的"一拖N"多泵系统控制方式8
2.5系统功能9
2.6保护功能9
2.7恒压供水过程9
第3章现实设计案例11
3.1控制对象11
3.2选用设备11
3.2.1PLC的选用11
3.2.2变频器硬件设计11
3.3控制原理12
3.4电器元件表12
3.5系统线路13
4.6变频控制柜技术参数及性能特点17
4.7变频器的主要调试参数18
4.8优势和效益19
致谢:
21
。
21
参考文献22
第1章恒压供水系统概述
随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使给供水设计得到了发展的机遇，当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合，不再仅仅追求立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。
于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。
恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。
供水网（系出口）压力值是根据用户需求确定的。
传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现。
随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。
该技术已在供水行业普及。
1.1变频恒压供水系统
变频恒压供水设备是一套智能调节水泵水流量的自动给水系统，实现无级调速，根据用水负荷的不同，来改变电动机的转速，能把设计上的富余和用量上的峰谷差异全部不胜的节约下来，可以取代阀门、挡板，不仅可以满足生产过程的需要，改进技术条件，改善技术性能，提高产品品质和工作效率，减少或去掉机械变速装置，明显的节约能源。
该系统能够完全取代传统的水塔、高位水箱，节省占地面积，节省原材料，减少系统投资，不仅降低了建筑成本，而且消除了水质的二次污染，是便于实施技术改造和扩建的一种提高水品质的理想产品。
1.2传统定压方式的弊病
1.管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀。
2.由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验。
3.定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置。
4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下。
5.系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。
6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户资用压头不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。
7.在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费。
1.3变频恒压供水系统的优点
相对与传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出的体现在以下几个方面：
1.高效节能
变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。
从单台水泵的节
能来看，流量越小，节能量越大。
2.恒压供水
变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。
3.安全卫生
系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的"二次污染"，取消了水池定期清理的工作。
4.自动运行、管理简便
新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。
5.延长设备寿命、保护电网稳定
使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。
变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。
6.占地少、投资回收期短
新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。
另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。
1.4变频恒压供水系统主要特点
1.节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。
2.占地面积小，投入少，效率高。
3.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
4.运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。
5.由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。
6.通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。
1.5恒压供水的控制目的
对供水系统的控制归根结底是为了满足用户对流量的需求。
所以，流量是供水系统的基本控制对象。
而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。
考虑到在动态情况下管道中水压的大小（用压力p表示）与供水能力（用流量Qg表示）和用水需求（用水量Qu表示）之间的平衡有关。
当供水能力Qg大于用水需求Qu，则压力上升（p↑）；
当供水能力Qg小于用水需求Qu，则压力上升（p↓）；
当供水能力Qg等于用水需求Qu，则压力不变为P（p为常数）；
可见供水能力与用水之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。
因此，压力就成为流量大小的参变量。
就是说保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡，恰到好处的满足了用户所需要的用水流量，这就是恒压供水所需要达到的目的。
1.6恒压供水设备的主要应用场合
1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。
2.各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。
3.中央空调系统。
4.自来水厂增压系统。
5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。
6.各种流体恒压控制系统。
1.7恒压供水技术实现
目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。
由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。
长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。
在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。
由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池"二次污染"的问题。
变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。
第2章楼宇自动化恒压供水系统方案
2.1变频恒压供水系统及控制参数选择
2.1.1.变频恒压供水系统组成
小区变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵（主泵+休眠泵）、压力传感器、PID调节器、变频器（主泵+休眠泵）、管网组成（如图1）。
工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。
2.1.2.变频恒压供水系统的参数选取
（1）合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。
这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：
一个就是管网最不利点压力恒压控制，另一个就是泵出口压力恒压控制。
两者如何选择，我们来简单分析一下（如图2）。
管网最不利点压力恒定时，管网用水量由QMAX减少到Q1，水泵降低转速，与用水管路特性曲线A（不变）相交于点C，水泵特性曲线下移，管网最不利点压力H0。
而泵出口压力恒压控制时，则Ha不变，用水量由QMAX减少到Q1与Ha交于B点，用水管路特性曲线A上移并通过B点，管网最不利点压力变为Hb，Hb-H0的扬程差即为能量浪费，所以选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了恒压供水的目的。
（2）、变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。
变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。
如图2-1为恒压供水泵的水的构成。
图2—1变频调速恒压供水系统结构图
1—水源2—阀门3—水泵4—单向阀5—控制箱6—控制器（PLC）
7—变频器8—压力传感器9—水位传感器9—电磁流量计11—用户
其中，与虚线关联的部分为变频调速控制系统，如图2-2所示。
图中，水泵电机是输出环节，转速由变频器控制，实现变流量恒压控制。
压力传感器检测管网出水压力，并将其转变为变频器可接受的模拟量信号。
变频器接受反馈信号后，根据给定信号和反馈信号的比值，进行PID调节来控制自身的输出频率，从而对水泵进行速度控制。
控制系统的工作原理：
变频调速恒压供水控制最终是通过调节水泵转速来实现的，水泵是供水的执行单元。
通过调速能实现水压恒定是由水泵特性决定的。
交流电机变频调速原理：
交流电机转速特性：
n=60f（1-s）/p，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数。
电机选定之后s、p则为定值，电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。
在各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等中。
流量与转速成正比:
Q∝N
转矩与转速的平方成正比:
T∝N2
功率与转速的三次方成正比:
P∝N3
而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：
P变＝N3,P额＝Q3,P额采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：
P阀＝（0.4+0.6Q）P额其中，P为功率N为转速Q为流量
例如设定当前流量为水泵额定流量的60%，则采用变频调速时P变＝Q3P额＝0.216P额，而采用阀门控制时P阀=（0.4+0.6Q）P额=0.76P额，节电=（P阀-P变）/P阀*100%＝71.6%。
流量%
100
90
80
70
60
50
节电率
（%）
0
22.5
41.8
61.5
71.6
82.1
由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。
而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。
在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。
图2-2自动恒压供水系统
通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。
当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。
2.2设备的选取
1）压力变送器
图中在管道中装压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。
当用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。
水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给变频器，压力变送器输出信号是随着压力而变的电压或电流信号。
当距离较远时，应取电流信号以消除因线路压降而引起的误差。
通常取4～20mA，以利于区别零信号（信号系统工作正常，信号值为零）和无信号（信号系统因断路或未工作而没有信号）。
压力变送器一般选取在离出水口较远的地方，否则容易引起系统振荡。
2）远传压力表
远传压力表的基本结构是在压力表的指针轴上附加了一个能够带动电位器滑动触点的装置。
因此，从电路器件的角度看，实际上是一个电阻值随压力而变的电位器。
使用时可将远传压力表与变频器直接连接。
图1中P为远传压力表。
电机功率较大时，系统可为每台电机配备电机保护器，在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，变频器通过控制基板自动将原工作在变频状态下泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。
若两台泵运转仍不能满足水压要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。
当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。
当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用主频器恒压供水。
2.3运行特征
以4台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器、软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<1/3Qmax时（Qmax为4台水泵全部工频运行时的最大流量），可编程控制器CPU根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。
当用水量Q在1／3Qmax当外需供水量Q为2／3Qmax2.4系统方案
目前，住宅小区变频恒压供水系统设计方案主要采用"一台变频器控制一台水泵"（即"一拖一"）的单泵控制系统和"一台变频器控制多台水泵"（即"一拖N"）的多泵控制系统。
随着经济的发展，现在也有采用"二拖三"、"二拖四"、"三拖五"的发展趋势。
"一拖N"方案虽然节能效果略差，但独有投资节省，运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳，对电网冲击小，降低水泵平均转速，消除"水锤效应"，延长水泵阀门、管道寿命，节约能源等优点，因此目前仍被普遍采用。
2.4.1"一拖N"多泵系统的一般控制要求
（1）多泵循环运行程序控制
以"一拖三"为例:
先由变频器启动1#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行，此时变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于"1工1变"的动行状态;若变频器再次达到上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将2#水泵也切换成工频运行，再由变频器去启动3#水泵，供水系统处于"2工1变"的运行状态。
反之，若变频器工作频率已下降至下限值（一般设定为25~35Hz）而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又处于"1工1变"的运行状态;若变频器工作频率又降至下限值而压力仍高于规定值时，令2#水泵停机，系统回复到1台水泵变频运行状态。
如此循环不已。
其他的"一拖N"程序控制，依此类推。
（2）设置换机间隙时间
当水泵电机由变频切换至工频电网运行时，必须延时几秒进行定速运行后接触器才能自动合闸，以防止操作过电压;而当水泵电机由工频切换至变频器供电运行时，也必须延时几秒后接触器再闭合，以防止电动机高速运转产生的感应电动势损坏变频器。
延时时间根据水泵电机的功率而定:
功率越大，时间越长，一般取值2~3s。
（3）确保触点相互联连锁
在电路设计和PLC（可编程控制器）程序设计中，控制每台水泵"工频-变频"切换的两台接触器的辅助触点或者PLC内部"软触点"必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器UVW输出端与工频电源发生短路而损坏。
为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，最好采用两台连体、机械和电气双重联锁的接触器，如德力西公司的CJX2-N型联锁接触器等。
（4）水泵轮换启动控制
可以自由设置水泵启动顺序:
可设置成1#水泵先启动，也可设置2#、3#或N#水泵先启动。
所有水泵平均使用，能有效防止个别水泵可能长期不用时发生的锈死现象。
（5）设置定时换机时间
在水泵群中，定时切换运行时间最长的水泵，以保证所有水泵的均衡使用。
（6）变频器或PLC带有PID调节器
PID（比例-积分-微分）调节器的积分环节I（即积分时间）调整应合理:
时间太短，则系统动态响应快，反应灵敏，但易产生振荡，水泵来回切换;时间太长，则当压力发生急剧变化时，系统反应过慢，容易产生压力过高，导致管道爆裂。
2.4.2常用的"一拖N"多泵系统控制方式
（1）变频器+PLC
这种配置不仅可以灵活地实现上述控制，而且可以实现更多复杂的控制。
缺点是需要专业技术人员编制并现场调试PLC程序，安装调试费工、费时，设备投资也较大。
（2）变频器+专业供水控制器
最近，有的厂家专门为变频恒压供水研制了能实现上述控制要求的专业供水控制器，操
作简单，调试方便，功能齐全，产品价格也与"变频器+PLC"接近。
2.5系统功能
（1）PID的调节功能
由压力传感器反馈的水压信号（4-20MA或-5V）直接送入变频器，设定给定压力值，PID参数值，并通过计算比较以切换泵的操作完成系统控制，系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。
（2）“休眠”功能
系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水（如夜晚）情况，为了节能，该系统专用设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，变频器停止工作，2＃、3＃泵不工作，水泵停止（处于休眠状态）。
当水压继续升高时将停止1泵，当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2＃泵或3＃泵，当频率到达一定值后将启动1＃泵调节2＃或3＃泵的转速。
“休眠值”变频器输出的下限频率参数设置。
“休眠确认时间”用参数设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时间如小于休眠时间td时，即td＜tn时变频器继续工作，当td＞tn时变频器将进入休眠状态。
“唤醒值”由供水压力下限启动，当供水压力低于下限值时由变频器向PLC发出唤醒指令。
经测试“休眠值”为10Hz。
“休眠确认时间”td:
20s，“唤醒值”70%
（3）通讯功能
该系统具有计算机的通讯功能，PLC变频器均提供有RS232或485接口，PLC可选用三菱的FX0n，计算机可以与一套或多套系统进行通讯.利用计算机同时可以监测：
电流、电压、频率、转速、压力等也可以控制变频器的各类参数。
2.6保护功能
此外在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。
过载、欠压、过压、过流、相序不平衡、缺相、电机空转等情况下为确保电机的良好使用条件，达到延长电机的使用寿命的目的。
系统配备水位显示仪表，可进行高低位报警，同时通过PLC可确保取水在合理水位的水质监控，同时也保护电机制正常运转工况。
系统配备电磁流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。
第3章现实设计案例
3.1控制对象
三台水泵电机
3.2选用设备
（1）根据表1确定用水量标准为0.19m3/人日。
（2）根据表2确定没小时最大用水量为43.8m3/h。
（3）根据7层楼高度可确定设置供水压力值为0.36MPa。
（4）根据表3确定水泵型号为50LG24-20x2共3台，水泵自带电动机功率为5.5KW
3.2.1PLC的选用
当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，因此该系统采用的是三菱可编程序控制器FX0n系列，I/O点数为40点，FX0n系列PLC是一种卡片大小的PLC，适合在小型环境中进行控制。
它具有卓越的性能、串行通讯功能以及紧凑的尺寸，这使得它们能用在以前常规PLC无法安装的地方。
三菱PLC编程采用FXGPWIN软件,提供三种编程语言，分别为梯形图、指令表、SFC状态流程图，提供完整的编程环境，PLC程序上载,可进行
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